DE2153784A1 - Herstellung von Elektret-Wandlerelementen - Google Patents
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Description
Western Electric Company Incorporated Sessler-West 9-9
New York
Herstellung von Elektret-Wandlerelementen
Die Erfindung betrifft Dünnfilmelektrete der als schwingfähige
Membranen elektroakustischer Wandler, Niederschlagungsgeräte (Rauchgasreiniger), Datenspeicherelemente,
Statoren in Elektromotoren, in Elektrometern, Dosimeter, Luftfilter und ähnliche elektronische Bauelemente verwendeten
Art. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Herstellung von Pilmelektreten mit verbesserten Ladungsspeichereigenschaften
sowohl in trockenen als auch in feuchten Atmosphären, welche gegen TemperaturSchwankungen im wesentlichen
unempfindlich sind und extrem gleichmäßige Ladungsdichten aufweisen.
Die elektrischen Materialien in Form von dünnen Filmen, z.B. verschiedene Polymere, wie Polyester, von denen einer unter
dem Warenzeichen "Mylar" bekannt ist, verschiedene Fluorkohlenstoffe, z· Bo der unter dem Warenzeichen "Teflon" erhältliche
Stoff, verschiedene Polykarbonatharze und dgl. werden in weitem Umfang für viele Anwendungen benutzt. Sie finden
beispielsweise in elektroakustischen Wandlern bei der Herstellung von Kondensatoren, Niederschlagungsgeräten,
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dielektrischen Speicherelementen und dgl. Verwendung. In einem typischen elektroakustisehen Wandler, z.B. einem elektrostatischen
Mikrofom oder Lautsprecher; findet beispielsweise ein Dünnfilm aus einem solchen Material als schwingendes
Element Verwendung. Um die Notwendigkeit einer äußeren Vor-
zu
spannung/vermeiden, wird der sich bewegende Film mit einer permanenten Polarisation oder Ladung versehen. Ein derart geladener Film ist als "Elektref-Film bekannt. Filmelektretwandler, beispielsweise der in der US-PS 3 118 0 22 beschriebenen Art haben die Vorteile herkömmlicher Kondensatoreinheiten, weisen jedoch nicht deren Nachteile auf. Im Gegensatz zu einem Kondensatorwandler bedarf eine Elektreteinheit keiner separaten Stromversorgung und ist mechanisch viel einfacher aufgebaut. Die Elektreteinheit weist außerdem eine höhere Kapazität auf, welche größere Freiheiten in Bezug auf die Auslegung des Schaltkreises bietet. Vielleicht noch wesentlicher sind die Eigenschaften des Elektreten in Bezug auf hohe Empfindlichkeit, guten Frequenzgang und geringe Verzerrung.
spannung/vermeiden, wird der sich bewegende Film mit einer permanenten Polarisation oder Ladung versehen. Ein derart geladener Film ist als "Elektref-Film bekannt. Filmelektretwandler, beispielsweise der in der US-PS 3 118 0 22 beschriebenen Art haben die Vorteile herkömmlicher Kondensatoreinheiten, weisen jedoch nicht deren Nachteile auf. Im Gegensatz zu einem Kondensatorwandler bedarf eine Elektreteinheit keiner separaten Stromversorgung und ist mechanisch viel einfacher aufgebaut. Die Elektreteinheit weist außerdem eine höhere Kapazität auf, welche größere Freiheiten in Bezug auf die Auslegung des Schaltkreises bietet. Vielleicht noch wesentlicher sind die Eigenschaften des Elektreten in Bezug auf hohe Empfindlichkeit, guten Frequenzgang und geringe Verzerrung.
Einige Verfahren zum Erzeugen permanenter elektrischer Ladungen an dielektrischen Materialien sind bekannt. Unter diesen
gibt es thermische Prozesse, welche gleichzeitig Wärme und ein dielektrisches Feld zur Wirkung bringen, Korona- und
Townsend-Entladungs-Methoden und Elektronenbeschußtechniken unter Verwendung von Elektronenstrahlen. Mit Hilfe einer La-
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dungsausrichtung, einer Ladungstrennung ader einer Ladungsinjektion
führen diese bekannten Methoden zu Elektreten, die durch eine heteropolare Ladung, eine homopolare Ladung oder
eine Kombination aus beiden Ladungsarten charakterisiert sind.
Eine der am meisten verwendeten Anordnungen zum Laden von polymeren Filmen benutzt ein System zum Anlegen einer relativ
hohen Spannung an einen Film, der zwischen einem Elektrodenpaar gehalten ist. In typischer Anordnung wird ein dielektrischer
Einsatz mit dem Film in Sandwichbauweise zwischen den Elektroden angebracht, wobei die in Sandwichbauweise angeordneten
Elemente entweder in gegenseitigem Kontakt oder zur Herstellung von Luftspalten zwischen den Ähichten auseinandergehalten
werden. Während des Anlegens der Spannung tritt ein Durchschlag in einem oder mehreren der Luftspalte
oder in allen Luftspalten, jedoch nicht im Film auf. Das dem Film aufgedrückte resultierende Feld reicht daher nicht
aus, um den Film durchzuschlagen, reicht jedoch aus, um eine homopolare Ladung (homocharge) zu bilden. Wegen der Luftspalte
und der örtlichen Durchschlagsphenomene ist die Ladung
des Films zwangsläufig uneinheitlich, und die resultierende Oberflächenladungsdichte des Elektreten ist in gleicher
Weise uneinheitlich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Dünnfilmelektreten zur Verfügung zu stellen, welche
mit bekannten Methoden nicht erreichbare extrem hohe Ladungs-
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dichten aufweisen. Dabei sollen große Volltrapdichten in den Filmelektreten gewährleistet sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein für den Durchschlag in den polymeren Filmen ausreichend starkes Feld
an eine Sandwichanordnung angelegt, die aus einem mit einer dünnen leitenden Schicht einseitig überzogenen Polymerfilm (der
einseitig beschichtete Film wird gewöhnlich als "metallisierte Folie" bezeichnet) und einer weiteren, viel dickeren
dielektrischen Schicht wählbarer Leitfähigkeit besteht. Durch Abstimmung der Abmessungen des elektrischen Einsatzes und
durch Wahl des Materials mit geeigneter Leitfähigkeit läßt sich der Einsatz so auslegen, daß er dem an ein Paar von
außen angebrachten Elektroden angelegten Feld standhält, ohne selbst durchzuschlagen. Trotzdem ist der Einsatz in der
Lage, den Durchschlag der Polymerfolie kurz vor seiner Zerstörung einzusteuern. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden keine Luftspalte gebraucht. Die Elemente des Sandwichbauteils können fest zusammengehalten werden. Wenn alle Luftspalte
eliminiert werden, kann auch die Gefahr nicht-gleichförmiger Ladung reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann bei Zimmertemperatur di%ichgeführt werden und gewähr
ledsbet trotzdem eine gleichmäßige homopolare Ladung (homocharge)
in der Folie bei hoher Ladungsdichte sowie eine große Lebensdauer.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Ausführungsform eines elektrostatischen
akustischen Wandlers, anhand dessen die Verwendungsweise eines als Schwingungselement benutzten
Dünnfilmelektreten dargestellt ist;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer geeigneten Anordnung zum Herstellen von Dünnfilmelektreten nach der Erfindung
; und
Fig. 3 die effektive Oberflächenladung als Funktion der Zeit
nach dem Laden verschiedener Dünnfilmelektrete, die erfindungsgemäß hergestellt sind.
Einer der wesentlichsten Anwendungsfälle für Dünnfilmelektrete
liegt auf dem Gebiet elektroakustischer Wandler. Da der Elektret eine permanente statische Ladung enthält, ist er in idealer
Weise zur Verwendung als Schwingungselement eines elektrostatischen Wandlers geeignet, wobei im Betrieb keine zusätzliche
Vorspannung erforderlich isto Ein typischer elektroakustischer
Wandler mit einem Dünnfilmelektret ist in Fig. 1 gezeigt. Er besteht aus einem elektrisch geladenen Kunststofffilm
10, der über eine Metallgrundplatte 11 gespannt und an einem Gehäuse 15 gehaltert ist. In typischer Ausführung becteht
der Film 10 aus einem polymeren Material, z.B. das unter dom V/arcnzoichen "Mylar" bekannte Polyäthylenterephthalat (PET)
oder Polyfluoräthylen-Propylen, das unter dem Warenzeichen
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"Teflon" (TFE) oder "Teflon" (FEP) bekannt ist, und Polykarbonat (PC) in einer Dicke von etwa 0,0025 cm. Eine noch dün
nere Metallschicht 12 wird auf die der Grundplatte abgewandte Seite des Films, d.h. die Außenseite des Films 10 aufgedampft.
Die aus Film und leitender Schicht bestehende Kombination wird als metallisierte "Folie" bezeichnet. Die Grundplattenoberfläche
ist generell so angeordnet, daß die Folie nur an bestimmten Punkten oder entlang bestimmten Linien mit der
W Oberfläche in Kontakt steht. In den Bereichen, wo kein Kontakt besteht, erlauben flache Taschen ein Vibrieren bzw. Schwingen
der Folie, wenn sie von Schallwellen getroffen wird. Außerdem ist die Grundplatte 11 perforiert und über einem luftgefüllten
Hohlraum 14 abgestützt. Diese Anordnung verringert die Steifigkeit des Luftkissens hinter der Membran und ermöglicht
ein Schwingen des Film mit größerer Amplitude, so daß die Empfindlichkeit des Wandlers vergrößert wird.
t Wegen der auf der Folie 10-12 vorhandenen permanenten Ladung
wird zwischen der Folie und der Grundplatte 12 ein elektrisches Feld errichtet. Die Folie und die Grundplatte sind über
in der Zeichnung nicht dargestellte Einrichtungen mit einer Hochimpedanz-Eingangsschaltung verbunden. Eine Bewegung der
Folie, beispielsweise aufgrund einer auftreffenden Schallwelle,
ruft in der Eingangsschaltung eine geringe Spannung hervor. Diese Spannung ist proportional zum Schalldruck.
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Die oben erörterte Reproduzierbarkeit der Empfindlichkeit der elektrostatischen Wandler hängt ebenso wie die hohe
Empfindlichkeit, der gute Frequenzgang und die geringe Verzerrung in hohem Maße von der Gleichförmigkeit der Ladungsverteilung über denKorper der Elektretenmembran, von der
Dichte der Elektretenladung und von der Fähigkeit des Etettreten
ab, trotz äußerer Einflüsse die Ladung beizubehalten. Daher ist eine hohe Lebensdauer von der geringen Abfallgeschwindigkeit
der Elektretenladung abhängig.
Elektretenfilme mit den erforderlichen Eigenschaften für die
Verwendung als Schwingungselement eines elektrostatischen Wandlers sowie für andere Elektretenanwendungen werden erfindungsgemäß
dadurch hergestellt, daß ein an eine Polymerfolie angelegtes elektrisches Feld so gesteuert wird, daß der Spannungsabfall
an der Folie deren Durchschlagsspannung übersteigt. Fig. 2 zeigt schematisch eine typische Ladungskonfiguration.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, fassen zwei Metallelektroden 21 und 22, die in typischer Ausführungsform jeweils einen Durchmesser
von etwa 6 cm haben, eine Polymerfolie 10-12 und einen dielektrischen Hilfseinsatz 23 ein. In typischer Ausführungsforrn
ist die Folie etwa 2 bis 25 Mikrometer dick, und die dielektrische Platte 23 besteht aus einer oder zwei
Scheiben aus Kronglas von jeweils/etwa 0,1 cm Stärke. Vorzugsweise
werden die Elemente des Sandwichbauteils zwischen den Elektroden eng aneinander gehalten, so daß etwa verbleibende
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irreguläre Luftspalte zwischen den Elementen nur als Ergebnis
von Oberflächenunebenheiten entstehen können. Zur Verbesserung der Anschaulichkeit ist die Größe der Luftspalte zwischen
den Elementen in Fig. 2 beträchtlich übertrieben dargestellt.
Eine Spannung von etwa 30 kV aus einer herkömmlichen Spannungsquelle
20 wird über die Elektroden 21 und 22 an das Sandwichbauteil über eine Zeitspanne von etwa einer Minute
angelegt. Diese Wirkungsdauer hat sich für die Praxis als
optimal erwiesen. Durch geeignete Wahl der Spannung und der dielektrischen Eingänge ergibt sich eine Stromdichte im Bereich
von 10~ bis 10 Coulomb pro Quadratzentimeter (C/cm ),
die für diesen Prozeß als optimal gefunden wurde. .Dieser Wert liegt bei weitem über dem typischen Durchschlags- bzw.
Durchbruchsstrom für die meisten polymeren Stoffe. Ein großer
Teil des Stroms fließt durch örtliche Kanäle im Polymeren, und die Aufbringung der Ladung erfolgt wahrscheinlich
in von diesen Kanälen entfernt liegenden Bereichen. Die Zu- h führung von Wärme ist nicht erforderlich; die Durchführung
des Verfahrens bei normaler Zimmertemperatur ist vollständig
ausreichend· Das Vorzeichen der Ladung auf dem polymeren Film 10 entspricht einer homopolaren Ladung. Entsprechend der
Polarität des angelegten elektrischen Feldes hat der Film eine resultierende positive oder eine resultierende negative
Ladung auf seiner nicht-metallisierten Seite.
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Ein Glaseinsatz 23 wird bevorzugt zum Steuern des Durchschlags irn Polymer verwendet^ da sein Widerstand ausreichend
9 Ί? hoch ist - in der Größenordnung von 10 bis 10 Ohm einer
Fläche von 10 bis 100 cm - um eine zerstörende Wirkung des
Durchschlags zu verhindern, andererseits jedoch niedrig genug, um eine genügend hohe Spannung am Polieren aufzubauen.
Außerdem hält der Glaseinsatz die Elektroden auf gleichmäßigem Abstand und ermöglicht dadurch, daß bei gleicher Oberflächenbeschaffenheit
der Elektroden ein stärkeres Feld an den Polymeren angelegt werden kann. Es hat sich in der Praxis
gezeigt, daß das Feld in einem dielektrischen Einsatz 23, der aus Schichten aus Kronglas besteht, in der Größenordnung von
250 kV/cm liegen sollte, d.h. bei einem Wert, der im Bereich vor dem Durchschlag liegt.
Die größten effektiven Oberflächenladungsdichten, welche sich bei drei repräsentativen, polymeren Filmen unterschiedlicher
Dicke ergaben, wobei die Filme auf einer Seite metallisiert und erfindungsgemäß geladen waren, sind nachfolgend tabellarisch
aufgeführt. Durch eine nicht—destruktive Methode gemessene Dichten sind für beide Ladungspolaritäten gezeigt.
Diese Werte, welche etwa 60 Sekunden nach der Beendigung des Ladevorgangs gemessen wurden, sind als Abweichungen von einem
Sollwert von 10 C/cm angegeben. In der letzten Spalte der Tabelle sind außerdem Volltrapdichten für diese Materialien
gezeigt, die aus den Ladungsdichten berechnet wurden.
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- 10 Effektive Ober-
| Material | Dxcke ( yum) |
dichte (ΙΟ"6 C/cm2) |
Volltrapdichte (lOlS cnrt |
| 3,8 | +1,0 -1,2 |
073 4,0 |
|
| PET | 12,7 | +1,0 -1,4 |
0,0 1,4 |
| 25,4 | +0,6 -0,9 |
0,3 0,4 |
|
| PEP | 12,7 | +0,4 -0,5 |
0,4 0,5 |
| 25,4 | +0,5 -0,5 |
0,2 0,2 |
|
| PC | 2 | +1,0 -ι,ο |
6,0 6,0 |
| 12,7 | +0,6 -0,8 |
0,6 0,8 |
Die den größten Ladungsdichten entsprechenden internen Felder sind nach der Tabelle beispielsweise 4 χ 10 V/cm für
PET und liegen daher gerade unterhalb der Durchschlagsfelder. Die größte effektive Oberflächenladung steigt nicht mit der
Dicke der Folie, da die Ladungen innerhalb einer schmalen " Schicht, die wahrscheinlich nahe der Oberfläche liegt, anfänglich
eingefangen werden.
Die Oberflächenladung als Funktion der Zeit ist als Beispiel
für einige, in einem Trockner gelagerte PET- und FEP-Elektrete in Fig. 3 gezeigt. Vier bis acht Monate nach der Polarisation
waren die negativen und positiven Ladungen am PET (Kurve 31) noch etwa zwei-bis dreimal größer als auf Folien, die
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durch Koronaentladung oder durch Elektronenbeschuß aufgeladen wurden. Positiv geladene FEP-Elektrete (Kurve 33) erfuhren,
wie festgestellt wurde, eine schnellere Entladung als die negativ geladenen Elektrete (Kurve 32).
Im Gegensatz zu thermischen Elektreten sind Niedertemperaturströme
auf Grund einer Depolarisation von Heteroladungen sehr klein. Das Fehlen einer großen Heteroladung wird der Tatsache
zugeschrieben, daß das Aufladen bei Zimmertemperatur stattfindet. Außerdem zeigt der Hochtemperaturstrom auf Grund der
Homoladungs-Depolarisation von mit diesem Verfahren aufgeladenem PET zwei Maxima. Dies weist auf das Vorhandensein von
zwei Trap— bzw«, Einfangtiefen hin, welche auf den Glasübergang
und die Relaxation von Glycolketten in der Folie bezogen bzw· zurückgeführt werden können»
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Claims (10)
1. J Verfahren zum Herstellen eines Polienelektrets hoher Ladungsdichte,
bei dem eine dünne Folie aus metallisiertem Polymer zwischen zwei Elektroden angebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus metallisiertem Polymer und eine dielektrische
Hilfsplatte, deren spezifischer Widerstand größer als derjenige der Folie ist, in Sandwichbauweise zwischen ein
Paar von ebenen Leitungselektroden eingesetzt werden, daß die Folie und die dielektrische Platte durch Zusammendrücken der
Elektroden miteinander in engem Kontakt gehalten v/erden, daß sodann an die Elektroden eine so hohe Spannung angelegt wird,
daß die Folie, jedoch nicht die dielektrische Platte durchschlägt, und daß diese Spannung über eine Zeitspanne von etwa
einer Minute aufrechterhalten wirdo
2» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ) Elektret bei normaler Zimmertemperatur hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Platte wenigstens eine Schicht aus Kronglas
von angenähert 0.1 cm Dicke enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da.durch gekennzeichnet,
daß die dielektrische Platte einen Widerstand von
10
wenigstens 10 Ohm aufweist.
wenigstens 10 Ohm aufweist.
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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß an die Elektroden eine Spannung von angenähert 30 kV angelegt wird.
6. Vorrichtung zum elektrostatischen Aufladen von polymerem
Iiaterial zur Bildung eines nach dem Verfahren nach Anspruch hergestellten Elektrets, wobei zwei ebene, leitende Elektroden
auf entgegengesetzten Seiten einer dünnen Folie aus metallisiertem polymeren Material angebracht sind,
gekennzeichnet durch einen dielektrischen Hilfseinsatz (23), der zwischen der Folie
(10,12) und einer der Elektroden (22) in Sandwichbauweise eingesetzt ist und dessen spezifischer Widerstand größer als
derjenige der Folie ist,
eine Klemmvorrichtung zum Zusammendrücken der Folie (10,12) des dielektrischen Hilfseinsatzes (23) und der diese einfassenden
Elektroden (21,22),
ferner eine Einrichtung (20) zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden (21,22), wobei die Spannung ausreichend hoch
bemessen ist, um einen Durchschlag in der Folie hervorzurufen, und ausreichend niedrig ist, um den Einsatz im Zustand vor
dem Durchschlag zu halten, und
eine Einrichtung zum Aufrechterhalten der Spannung üb er eine
Zeitspanne von etwa einer Minute.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der polymeren Folie (10,12) und des dielektrischen
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Hilfseinsatzes (23) so aufeinander abgestimmt sind, daß eine
gleichbleibende Stromdichte innerhalb des kritischen Bereichs von etwa 10~ bis 10~ A/cm entwickelt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Hilfseinsatz (23) einen Widerstand
im Bereich von 10 bis 10 für eine Fläche von 10 bis 100 cm2 hat.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7., dadurch gekennzeichnet,
daß der dielektrische Hilfseinsatz (23) einen genügend hohen Widerstand hat, um einen Durchschlag in der Folie hervorzurufen,
wobei sein Widerstand niedrig genug ist, um einen relativ hohen Spannungsabfall an der polymeren Folie (10,12)
hervorzurufen.
10. Mit dem Verfahren nach Anspruch 1 hergeiellter Folienelektret,
gekennzeichnet durch eine Ladungsdichte von mehr als 0,5 χ 10~6 C/cm2o
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| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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